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1、实时数据库系统在调度自动化的应用探讨雷霆，袁林安徽电力调度通信中心摘要：实时数据库系统在处理海量时间序列数据方面具有一定优势，是否能够结合电网企业应用特点来使用实时数据库系统是一个值得探讨的话题。本文结合广域动态测量系统（WAMS）、调度综合数据平台、能量管理系统（EMS）等系统的特点和发展趋势，提出了初步的应用框架，分析了应用实时数据库系统的切入点和优缺点。关键字：调度自动化 实时数据库 PI数据库1 引言电网规模的快速发展、计算机及通信技术的快速发展正在逐步促进调度自动化系统技术水平的提高。实时数据库系统如PI、eDNA等在处理海量时间序列数据方面具有绝对的优势，这些软件系统是否能够在电网
2、生产中得到有效应用，已经引起一定关注。随着广域动态测量系统、综合数据平台等一系列新系统、新需求的出现，如何结合电网企业应用特点来使用实时数据库平台系统是一个值得探讨的话题，本文将结合实时数据库特点和应用需求来探讨实时数据库在调度自动化系统领域的应用情况。2 实时数据库介绍2.1 简述实时数据库按照存储容量和设计实现可划分为内存级实时数据库和文件级实时数据库。内存级实时库目前往往由各厂家自行开发，可满足数据快速访问存储的需求。文件级实时数据库重点考虑海量数据的实时访问和历史存储，目前已经成为商业化产品。本文的实时数据库特指文件级实时数据库。实时数据库不是数据库和实时系统的简单结合，它需要在数据模
3、型、体系结构、事务处理模式、数据存储方式等诸多方面重新进行研究和开发。在工业自动化系统中，如何实时地采集、传输和存储现场数据，实时响应用户的数据查询是一个非常富有挑战性的问题。目前实时数据库产品在工业控制领域得到了较广泛的应用。由于国内的实时数据库产品在技术性能、用户功能扩展等方面和国外同类还存在一定差距，故国外实时数据库产品在国内市场占据主要份额。在电力生产企业中，由于需要实现全厂的生产信息共享和管控一体化，按照厂级监控信息系统（Supervisory Information System，简称SIS）数据库要求容量大、可靠性高和响应速度快的系统需求，一般不选用常规的关系数据库，而选择采用专
4、用的具有特定压缩存储算法内核的实时数据库系统1。2.2 原理比较实时数据库和关系型商用数据库如Oracle、SQLServer等属于两种不同的数据库领域范畴，有着不同的系统定位和应用范畴。关系型数据库是二维表结构，一般不对数据做压缩处理，重点用于存储和处理关系型数据和事务，适用范围较广。现有软件通常基于关系型数据库实现数据存储和访问。实时数据库的设计结构面向用于存储和获取带时标的实时/历史数据，并且有针对性的设计了过滤和压缩算法，同时提供了对高速数据读写的有效支持。对于时间序列数据，在响应速度、可靠性、容量等方面具有较大优势。所有表具有相同格式即时间和变量，且总是索引到时间和表、或“tagID
5、”。基于实时数据库的应用系统能够对生产过程进行快速存储和回放，特别适合各种生产流程企业的生产过程优化。2.3 产品分析实时数据库产品主要有Wonderware公司的Industrial SQL，OSIsoft公司的PI ( Plant Information System )，AspenTech公司的 IP21 ( InfoPlus 21 )，印步公司的eDNA等。这些实时库被广泛应用于各种生产流程企业的生产工程优化、生产过程数据的自动采集、存储和监视。实时数据库产品通常是按照点数来确定价格的。以PI实时库为例介绍产品功能和架构（全文均以PI为例）。PI系统一方面可用于数据的采集、存贮和监视，
6、另一方面为最终用户和应用软件开发人员提供了快捷高效的二次开发平台，其主要由PI服务器软件，PI客户端软件和接口软件三部分组成2。PI服务器软件主要用于实时数据的采集、历史数据的存储、压缩和维护，主要包括通用数据服务模块、网络管理器模块、服务器应用模块和系统管理工具模块等。PI客户端软件用于基于PI数据库的二次开发和高级应用，用户可从客户端进行数据查询、分析以及进一步的高级应用功能开发，主要功能模块包括ProcessBook及PI DataLink两个用户界面模块、PI-ActiveView WEB客户端应用等。PI接口软件实现不同系统以及不同数据库同PI数据库的连接和通信，包括定制接口、标准接
7、口、PI-API（PIAppication Programming Interface）接口和PI-ODBC接口。3 应用分析3.1 WAMS系统应用WAMS系统通过在同一时刻精确获取大范围内的电力系统实时动态信息，为电力系统的运行和控制提供了新的途径和方法。近年来，WAMS系统建设正在进行中，也有部分系统已经投运。海量数据存储和访问是WAMS系统的一个显著特点。目前国内已投运的WAMS主要采用关系数据库来存储PMU动态数据，但PMU数据的特点是海量时间序列数据，商用关系库并不完全适合存储此类数据。一旦数据规模过大，会导致基于商用关系库的WAMS系统在进行数据调用、查询和存储上不能满足一定的实
8、时性要求。实时数据库的数据储存方式专门针对海量时间序列数据，非常适合于类似WAMS的实时动态系统，数据存储分辨率可达到毫秒级甚至微秒级。并且当电网发生扰动后，需要快速读取海量数据进行分析计算，此时实时数据库系统的海量数据快速查询计算可较好满足用户的这方面需求。因此WAMS系统给实时数据库系统提供了一个施展身手的最佳场合。下面给出了一个在WAMS系统中应用PI数据库的基本框架图。图1 WAMS系统中实时数据库应用框架图1中，从PMU采集的动态时间序列数据存储在PI数据库中。电网模型、参数和系统数据表等关系型数据存储于关系库中，WAMS应用分析结果如辅助服务质量分析等可存储于关系库，并考虑基于WA
9、MS系统总体实现功能和数据容量来选择相应性能的关系数据库。在应用方面。数据的监测展示可基于PI提供的丰富的显示界面，包括曲线、棒图等，支持多坐标系多曲线对比、曲线放大缩小功能。是否基于PI实现高级应用功能是值得关注的问题。可考虑采用PI专门开发的针对低频振荡监测的画面，其优点在于数据访问速度快、展示分析界面功能强大。缺点在于虽然目前实现了FFT和PRONY算法用于低频振荡的监测，但和专业人士相比，对电力系统动态分析方法的实现和综合应用能力不足。WAMS系统的其他高级应用功能可考虑专业化定制方式实现，此时只基于PI提供的API来读取时间序列数据。WAMS系统需要读取的数据包括电流电压相角、发电机
10、功角、有功功率、无功功率、频率、频率变化率以及一次调频信息等。为实现监测和应用目标，WAMS系统需要保存电网扰动过程中的动态数据的快速变化，但对于稳态下的数据并不是非常关注。如果应用实时数据库系统的压缩算法，既可以将电网扰动过程中的动态数据尽最大可能的保留，也可对稳态数据进行合理有效的压缩。针对各类数据特点和应用需求，来选取是否需要压缩的数据。例如频率、相角等一般不进行压缩。据了解，在已应用PI数据库的WAMS系统中，正常稳态过程中保存的动态数据不足10，扰动时保持的动态数据则达到90%，从而可以节约存储空间又可以保证数据精度。PI采用了一种螺旋门压缩的有损压缩算法。用户可通过调整数据压缩率参
11、数如压缩偏移量来实现两者直接的灵活权衡，从而能够在保证精度和有效利用磁盘空间的前提下，充分利用压缩偏移，将有用的数据归档。3.2 综合数据平台应用随着调度自动化系统及生产运营管理系统的不断扩展和增加，现有问题在于各生产系统之间相互独立，使用各自独立或分散的运行监控体制，系统之间为点对点数据交换。这种情况不仅配置复杂，维护困难，也无法对不同系统数据进行可视化展现和综合分析等，此时应考虑如何实现各种应用系统之间的数据共享。鉴于此，可通过建设综合数据平台来进一步推进电网调度系统信息化工作，这也是电力信息化发展的必经阶段和发展方向。调度综合数据平台一方面需要存储大量关系型业务数据，另一方面需要整合存储
12、电网实时生产相关的大量时间序列数据，在已有实践中，时间序列数据如SCADA数据、电量数据往往采用关系数据库进行保存。随着调度生产运行分析要求的不断提高，系统数据的不断积累增加，可以预见的是现有商用库存储时间序列历史数据方式将难以满足各应用系统对海量数据快速访问的要求，为此未来可能会出现数据访问响应缓慢、历史数据存储空间有限等一系列问题，这将使得大量调度生产实时/历史数据不能得到有效的分析和应用。因此，从考虑综合数据平台的性能和二次开发统一界面角度，可前瞻性地考虑通过引入实时数据库系统来解决这方面问题，其优点主要包括：（1）提高综合数据平台系统性能。实时数据库特有的数据存储设计方式和商业化应用水
13、平，将保障综合数据平台面对大量时间序列数据访问需求时，能够较好保证系统运行性能。（2）通过统一的业务系统二次开发来提高综合数据平台的应用水平。实时数据库系统提供了丰富的二次开发工具，可对时间序列数据和关系库数据进行展示分析，实现统一风格的业务系统和人机界面，系统的开发和维护也较为方便，使得综合数据平台不仅仅局限于数据存储，可通过数据分析展示功能来提高数据平台的应用水平。图2 综合数据平台中实时数据库应用框架图2给出了一个参考实现框架图。实时数据平台汇集的时间序列数据包括：（1）SCADA数据如发电、负荷、有功、无功等。（2）电能量计量系统的电量数据。（3）WAMS系统的实时动态监测数据。（4）
14、其他时间序列性的数据如设备状态在线监测数据等。通过各种接口方式来实现对上述数据的接入和整合，实时数据库系统可成为综合数据平台中承担实时数据存储的实时数据中心，给其他系统提供统一规范的时间序列数据接口，达到电网生产时间序列数据长期高精度保存、统一管理、规范使用的目的。由于实时数据库对外提供多种接口方式，因此引入实时数据库系统并没有妨碍系统对外接口的统一和平台内部数据流的整合。以PI为例，PI服务器里包含了PI-SQL服务器模块，PI-SQL负责处理SQL访问请求,允许用户直接通过SQL方式来访问PI数据。并且通过COM连接转向器等方法，PI-SQL还可以从外部关系数据库中获取数据，或者PI-Pr
15、ocessBook能够直接通过ODBC接口访问关系型数据库。因此，PI数据库可以很方便地与关系型数据库进行交互。实时数据库虽然对基于时间序列的数据采集、保存、展示具有巨大的优势，但是固有的基于文件类型的设计不能很好的反映数据之间的关系，而许多应用和关系数据非常密切。因此如何更好的将关系数据库和实时数据库之间进行紧密结合将是实际工作中需要考虑的重点问题。在应用开发方面，基于PI提供的二次开发工具和存储的实时数据，可以较方便地实现一些业务系统如电网运行分析系统、电量统计分析系统、设备状态监测和检修分析系统等。实现方法主要是利用PI-ProcessBook建立数据展示界面，利用PI-DataLink
16、将PI数据导入Excel表格，自动生成各类报表，基于PI-ActiveView显示Web画面。在数据深层次分析方面，可以基于数据挖掘分析工具，对关系库数据和实时据数据进行多维度、深层次的综合分析。3.3 调度自动化应用鉴于实时数据库系统最适合各种生产企业的实时生产过程的监测和优化，因此SCADA系统应该是应用实时数据库的最基本平台。不过，目前SCADA系统的监测数据量还未达到了海量存储的需求。但现有SCADA系统为了系统设计和性能的需求，往往按照1分钟、5分钟和15分钟来定义固定间隔的量测量，从而导致修改采样周期不太方便。若采用实时数据库，则不存在量测点频度定义此类问题。另外，在基础条件方面，
17、随着各变电站逐步实现GPS统一对时后，测控装置的时间精度能够达到毫秒级，可要求厂站端将所有上传数据都标注精确时标，主站将全部接受数据统一存储于时间序列数据库中，这可进一步提供SCADA系统的基础数据质量，为EMS应用水平提高奠定基础。实时数据库弱点在于不能较好表示数据之间的关联关系，在应用于EMS系统时需要考虑是否能够遵循IEC61970标准。虽然PI数据库的归档文件中只能存放数据，不能存放设备关联关系，但PI-MDB允许用户通过定义分层分级的树状结构对设备进行归类,来建立从厂站到设备的分级形式的层次模型，同时采用别名机制将设备和测点关联起来,具有良好的灵活性。CIM属于面向对象的模型，PI-
18、MDB表述的是一种层次模型,可基于电网CIM模型生成层次式的电网设备管理关系，但是对象之间的继承、聚合关系是MDB无法表述的。3.4 讨论实时数据库的优势在于海量时间序列数据的快速存储和查询，统一的二次开发平台和丰富的应用开发工具。这些优势在不同系统下的应用前景则有所不同。应用PI等实时数据库，从极端角度来看都存在两种形式。一种是最小化的应用模式，即仅将PI作为数据存储工具，不做任何其他使用。一种是最大化的应用模式，首先应用PI整合存储时间序列数据，其次作为统一的二次应用开发平台，并且专业化的高级应用功能也尽量基于PI平台进行开发。任何具体的应用模式都应该在上述两者之间。在传统的EMS领域，由
19、于数据量有限且EMS主要关注电网稳态问题，所以引进实时数据库所带来的时间序列数据精确性给系统技术水平提高有一定推动作用。在统一二次开发方面，虽然PI提供了二次开发工具，但是新一代EMS系统正在向数字化、立体化和可视化角度发展，因此PI还难以完全满足新一代EMS系统在这方面的要求，但部分系统监视和控制画面可考虑是否利用PI等系统来实现。在WAMS领域，由于需要快速存储和分析海量的动态时间序列数据，因此引入实时数据库系统是必须的。而应用模式则是值得讨论的内容。如果仅为最小化的应用模式，只是将时间序列数据存储入实时数据库中。由于实时数据库是一个技术准入门槛较低的产品行业，也可考虑是否可通过自主研发形
20、式解决，此时只需要保证自主开发的数据存储访问性能能够满足WAMS系统要求即可。如果考虑更大化的应用模式，需考虑怎么把PI数据库特点更好地和WAMS系统相结合。前文中的图1框架给出了一个参考方案。在综合数据平台领域，如果考虑到数据平台未来系统性能和统一的应用二次开发，则宜引入实时数据库系统。在具体应用模式上，综合数据平台应该适用于最大化的实时数据库系统应用模式，但从目前应用水平来说，还没有这方面的最迫切需求，在安全III区，往往使用EMS系统的Web镜像系统和各个孤立的应用系统。因此目前在综合数据平台中引入实时数据库还是需要从管理决策层次上实施。但未来随着应用水平的提高，上述两方面的实际需求将会
21、越来越强烈。4 结语实时数据库在电网生产中如何应用开始受到了一定关注。本文分析了实时数据库特点，结合具体调度自动化系统如EMS、WAMS和综合数据平台等的具体系统特点和未来需求，对PI等实时数据库在调度自动化系统的应用进行了分析探讨，分别介绍了实时数据库的应用切入点和具体实施模式，并基于现状和趋势，从技术和管理角度进行了讨论。参考文献1. 洪慧，杨卫国，林中达. PI数据库及其在电厂SIS中的应用. . 电力自动化设备，2004,24(11).2. OSIsoft. Brief Review of P I System Architecture for T&DZ. 2004.作者简介：雷霆：1977年生，男，博士，工程师，现从事调度自动化、电力市场等方面的技术工作。袁林：1957年生，男，副总工程师，长期从事电力系统自动化、信息化工作。说明：文中图片使用visio绘制，这里将图片拷贝附上，作为备用。